Method Article
Здесь мы опишем общий метод случайной microseed матрицы скрининга. Этот метод показан значительно увеличить шансы на успех белковых кристаллизации скрининга экспериментов, снизить потребность в оптимизации, а также обеспечить надежную поставку кристаллов для сбора данных и лиганд-купания экспериментов.
Случайное скрининг microseed матрица (РММС) представляет собой метод кристаллизации белка, в котором затравочные кристаллы добавлен в случайных экранов. Увеличивая вероятность того, что кристаллы будут расти в метастабильной зоны фазовой диаграммы белка, дополнительные провода кристаллизации часто получают, качество кристаллов, произведенных может быть увеличена, и хороший запас кристаллов для сбора данных и купания экспериментов обеспечивается. Здесь мы опишем общий метод РММС, которые могут быть применены к либо сидя падение или висит диффузии экспериментов пара падение, установленных вручную или с использованием жидких робототехнику обработки, в 96-колодца или формате 24-а в трее.
С момента своего первоначального заявления Перутца, Кендрю с сотрудниками в определении структуры гемоглобина и миоглобина, к современным высокой пропускной автоматизированных трубопроводов структурной геномики консорциумов, макромолекулярный рентгеновской кристаллографии предоставил нам беспрецедентную структурную заглянуть в мире белка . Этот метод остается наиболее широко применяется экспериментальный метод, который позволяет прямой визуализации структуры белка в атомной, или около атомным разрешением (т.е. в диапазоне 1-3 Å). Предпосылкой для рентгеновской дифракции, которая будет применяться к белку в том, что оно должно быть сначала кристаллизуется, и именно это этап процесса, который остается самым крупным ограничение скорости шаг в определении структуры дифракционными методами 1, 2. Несмотря на значительные успехи в понимании процесса кристаллизации белков, и значительные улучшения в качестве и доступности экранов кристаллизации,лотки, и связанные с ними технологии, остается невозможным достоверно предсказать вероятность успеха кристаллизации 3. Биохимические и биофизические методы могут быть применены для оценки того белок процентных дисплеев благоприятные характеристики для зарождения кристаллов и роста, то есть это хорошо сложенный, однородная, монодисперсными и т.д., однако, эти знания ни в коей мере обеспечить окончательный предиктором кристаллизации склонность.
Посев уже давно якобы быть жизнеспособным способ улучшения количество, размер и качество существующих кристаллов или кристаллического материала 4-7. Этот подход основан на том, что состояние, которое поддерживает зарождения кристаллов не может быть оптимальным для последующего роста кристаллов и наоборот. Передавая ядросодержащие материал из одного состояния в другое, можно попытаться эффективно отделить эти процессы, тем самым, предоставляя доступ к новым, еще неизведанные пространства кристаллизации,и в результате увеличения общего показателя успешности скрининга эксперимента. Штатные методы были зарегистрированы для (I) macroseeding, передача монокристалла во всей его полноте из одного состояния в другое 8, (II) полоска посева, передача зародышевого материала, как правило, полученной путем применения направленного давления с использованием, например усов у кошки на поверхность существующей кристалла, а затем последующего прохождения минимальным через новый падения кристаллизации 9, и (III) "классической" microseeding, передача Кристалл "семян", порожденных уборки раздавил кристаллы (или кристаллический материал), в условиях, сходных с теми, которые дали семенам 10. Примечательно все три из этих методов требуют много времени и плохо масштабируемым, конечно по сравнению с тем, что это достижимо с современными робототехники кристаллизации обработки жидкостей. Эти факторы способствовали, в какой-то степени, по крайней мере, в восприятии, что семяIng является методом для посещения только тогда, когда другие подходы не смогли приносить свои плоды.
Случайная матрица microseeding (РММС) Недавнее методологическая инновация, которая сочетает в себе преимущества традиционного microseeding с тех скрининга высокой пропускной и масштабируемости 11-13. Этот подход основан на генерации семенного материала, полученного из зародышевого кристаллического материала, который может быть аликвоты в / на каждой sub-well/coverslip в пределах стандартного экрана кристаллизации 96-условию. Этот метод применим к обоим сидя или висит пара падение диффузии эксперименты, установленные вручную или с использованием жидких робототехнику обработки, в 24-колодца или 96-луночного формата трее. РММС было продемонстрировано экспериментально значительно увеличить показатель успеха кристаллизации, и производят кристаллы повышения качества дифракции и количества 11, 13, 14, и представляет собой инновационный инструмент в арсенале кристаллографы "подходов в оNgoing усилия на пути к успеху кристаллизации. Здесь мы опишем общий метод РММС и обеспечить образцы данных, иллюстрирующих эффективность этого метода.
1. Стратегические соображения
2. Подготовка семенного фонда
3. Создание кристаллизации лотков
4. Инспекция кристаллизации лотков
(А) Пример эксперимента РММС
Чтобы продемонстрировать эффективность РММС скрининга мы применили этот метод для кристаллизации куриного яйца лизоцима (HEWL) и печени крупного рогатого скота каталазы (BLC). Оба эти ферменты в высшей кристаллизоваться и структурно охарактеризованы цели 15, 16. Таким образом оба обеспечивают отличные испытуемых, с которыми можно проиллюстрировать повышенную успеха кристаллизации достижимую с РММС. Кристаллизация эксперименты были созданы в 96-а сидя формат падение лоток с использованием жидких робототехнику обработки. Растворы HEWL и BLC были получены путем растворения лиофилизированных порошков друг в 20 мМ Трис-HCl, 150 мМ NaCl, рН 7,5, до конечной концентрации 100 мг / мл и 20 мг / мл соответственно. Для каждого белка были использованы три экрана кристаллизации 96-состояние; JCSG, ПАКТ и Морфеус. Кристаллизация скрининг без microseeding проводили с использованием объемов резервуара 50 мкл, и 2 мклсидя капли, содержащие 1 мкл раствора белка и 1 мкл водохранилища решения. Шесть лотки хранились в постоянной комнатной температуре на 18 ° С и ежедневно проверять с помощью бинокулярного микроскопа. Любые доказательства роста кристаллов был записан. После пяти дней одно условие из каждого лотка, что было установлено, поддерживать рост кристаллического материала был выбран и используется для выработки семенного. РММС скрининг проводили, как для не-РММС скрининга, за исключением того, что использовали 2,5 мкл, сидящие капли, содержащие 1 мкл раствора белка, 1 мкл раствора резервуара и 0,5 мкл посевного материала. Все шесть РММС лотки были переданы постоянной комнатной температуре на 18 ° С и ежедневно проверять с помощью бинокулярного микроскопа. Через пять дней РММС лотки обоих белков были проверены и количество капель с кристаллов был записан. Рисунок 1 суммирует результаты этого эксперимента и обеспечивает количественный анализ. Для HEWL от 4 до 10 разувеличение скорости кристаллизации успеха, по сравнению с не-семенами лотков, наблюдалось, когда РММС был применен к этому белку. Примечательно для BLC только одно условие на экране Morpheus был найден, чтобы получить кристаллы, по сравнению с 55 условий, определенных после использования РММС. Кроме того, было увеличение скорости успеха в BLC кристаллизации с использованием JCSG и экраны PACT соответственно 3 и 7-кратный. Во всех случаях и независимо от экрана кристаллизации используемые РММС скрининг дает значительно большее общее количество кристаллов, чем не РММС скрининга. Повторение одних и тех скрининговых экспериментов РММС описывается с помощью 1:100 разбавленный семя дало значительно меньше хитов, чем при использовании в неразбавленном виде семенной фонд, усиливая требование использовать неразбавленные запасов при выполнении первый раунд РММС экспериментов. Для обоих белков было мало очевидным изменение качества кристаллов, если судить по размерам, морфологии и двулучепреломления. Сравнительная оценка дифкачество доля кристаллов, полученных с помощью РММС в отличие от обычных методов скрининга выходит за рамки данного исследования, однако, первоначальный анализ предварительный дифракции с использованием синхротронного излучения подмножества кристаллов обоих белков, выделенных из РММС и экранов без РММС указано там быть небольшим изменением в качестве дифракционной, если судить на основании предела разрешения и точечного профиля.
(В) Пример оптимизации количества кристаллов на падение
Microseeding методы регулярно подавать ливень мелких кристаллов. Поэтому часто необходимо разбавить семенной фонд, чтобы снизить уровень зарождения. Более того, иногда может быть невозможно вырастить кристаллы в условиях хит, которые были найдены на РММС когда раздаете, не используется 5. Это такие случаи часто полезно использовать «классическую» microseeding, где несколько капель создаются с использованием тех же пластов решение с разных разведений семенного материала. Это сбыть сделано систематически в течение нескольких условий свинца на одной пластине, используя «комбинаторной» подход (Павел Reichert, Merck Research Laboratories, личное общение), как показано на рисунке 2. Здесь один или несколько повреждений растворы (H1 - H6) распределяют в столбцах кристаллизации пластины, в то время как другая разбавление семенного материала (S1 - S9) добавляют к капель каждой строки. Поэтому каждая комбинация решения хит и разбавленной семенного фонда были протестированы на одной пластине, а соответствующий уровень разбавления и любых тенденций, присутствующих могут быть легко идентифицированы.
Мы применили этот комбинаторный подход microseeding в три модели белков, ксиланаза, тауматин и термолизина. Каждый белок был протестирован с условием кристаллизации, которые ранее было показано, не дать ни одного кристаллы в отсутствие посева, но последовательно получают кристаллы при посеве был использован. Условия кристаллизации, используемые для ксиланазы, тауматин и тhermolysin приведены в таблице 2. Были созданы четырех до шести условия для каждого белка либо с двух или трех повторений каждого белка / состояние / семенного комбинации, как показано на рисунке. Капли состоит 0,3 мкл белка, 0,29 мкл раствора резервуара и 10 NL семенной фонд. Все лотки были созданы с использованием жидкой обработки кристаллизации робота. Аккуратные семенной фонд и шесть разведения их были созданы для каждого белка. Другие экспериментальные данные были сообщалось ранее 12. Среднее число кристаллов, полученных за капли заговор против разбавления семенного фонда на рисунке 3. Эти данные показывают, что число кристаллов следует примерно линейную зависимость с количеством добавленных семян. За три испытанных белков, 1:10 -3 до -6 1:10 разведения требуется для получения 1-10 кристаллы на капли.
Таблица 1. Перечень материалов.
БелокКристаллизация коктейль | Количество капель, установленных в лоток | |
Ксиланазы (36 мг / мл) | 2 сульфат аммония М, 0,1 М Трис-HCl рН 8,5 | 3 |
Ксиланазы (36 мг / мл) | 30% (вес / объем) ПЭГ 4000, 0,2 М ацетат натрия, 0,1 М Трис-HCl рН 8,5 | 3 |
Ксиланазы (36 мг / мл) | 4 М формиата натрия | 3 |
Ксиланазы (36 мг / мл) | 3,5 М сульфат аммония, 250 мМ хлорида натрия, фосфат рН 50 мМ натрий / калий 7,5 | 3 |
Ксиланазы (36 мг / мл) | 1,5 М фосфатного рН калия 7.0 | 3 |
Thaumatin (30 мг / мл) | 30% (вес / объем) ПЭГ 4000, 0,2 М ацетат аммония, 0,1 М цитрат натрия рН 5,6 | 2 |
Thaumatin (30 мг / мл) | 20% (вес / объем) ПЭГ 4000, 20% (об / об) 2-пропанол, 0,1 М цитрат натрия, рН 5,6 | 2 |
Thaumatin (30 мг / мл) | 30 (% вес / объем) ПЭГ 8000, 0,2 М сульфат аммония, 0,1 М натрий какодилат рН 6,5 | 2 |
Thaumatin (30 мг / мл) | 20 (% вес / объем) ПЭГ 8000, 0,2 М ацетат магния, 0,1 М натрий какодилат рН 6,5 | 2 |
Thaumatin (30 мг / мл) | 2 сульфат аммония М, 0,1 М Трис-HCl рН 8,5 | 2 |
Thaumatin (30 мг / мл) | 1,5 М сульфат лития, 100 мМ HEPES, рН 7,5 | 2 |
Термолизин (15 мг / мл) | 20,0% (вес / объем) ПЭГ 6000, 100 мМ рН 5,0 лимонной кислотой | 3 |
Термолизин (15 мг / мл) | 1,26 М сульфата аммония, 200 мМ сульфат лития, 100 мМ Трис-HCl рН 8,5 | 3 |
Термолизин (по 15 мг / мл) | 10% (объем / объем)MPD, 100 мМ бицин рН 9,0 | 3 |
Термолизин (15 мг / мл) | PH янтарной кислоты 7,0 800 мм | 3 |
Таблица 2. Белковые растворы и условия кристаллизации, используемые в комбинаторной эксперимента microseeding.
Рисунок 1. (А) Сравнение РММС и не-РММС скрининга кристаллизации экспериментов. Условия, поддерживающие рост кристаллов в зеленый, условия не поддерживающие рост кристаллов в серый. Условия выбранные для использования в семенной фонд поколения в розовый цвет. Экраны кристаллизации помечены следующим образом (я) курица яичный белок лизоцим, JCSG, не РММС, (II) курица яичный белок лизоцим, JCSG, РММС, (III) курица яичный белок лизоцим, ПАКТ, не РММС, (IV) курица например г белого лизоцим, ПАКТ, РММС, (V) курица яичный белок лизоцим, Морфеус, не РММС, (VI) курица яичный белок лизоцим, Морфеус, РММС, (VII) бычьего печени каталаза, JCSG, не РММС, (VIII) бычьей печени каталаза, JCSG, РММС, (IX) бычьего печени каталаза, ПАКТ, не РММС, (х) бычьего печени каталаза, ПАКТ, РММС, (XI) бычьего печени каталаза, Морфеус, не РММС, (XII) бычьего печени каталаза, Морфеус, РММС. (В) Сравнительный анализ успеха кристаллизации с использованием РММС и не-РММС скрининг кристаллизации. Для не-РММС скрининга количество условий кристаллизации, определенных в качестве поддержки роста кристаллов либо HEWL или BLC показаны синим цветом, для РММС скрининг количество условий кристаллизации, определенных в качестве поддержки роста кристаллов либо HEWL или BLC показаны красным цветом. Данные основаны на проверки кристаллизации лотков 5 дней после создания.
2.jpg "/>
Рисунок 2. Распределение условий кристаллизации и разбавленных семян фондовых суспензий для одного белка в примере комбинаторной эксперимента microseeding. Выделенные столбцы H1-H6 содержат различные условия кристаллизации, поддерживающие рост целевого белка кристаллов. Выделенные строки S1-S7 содержат различные разведения белка-мишени семенного подвески.
Рисунок 3. Корреляция между семенного разведения и среднего количества кристаллов, полученных за падение в комбинаторной эксперимента microseeding. Три белка были использованы ксиланаза, тауматин и термолизин. Капли были созданы в 96-луночный MRC пластины с использованием жидкой обработки робота, и включают в себя 0,3 мкл белок, 0,29 мкл раствора резервуара и 10 нл свежий себеред запас. Данные, представленные на основе осмотра лотки кристаллизации 5 дней после создания.
В этой статье мы описали общий метод РММС белка скрининга кристаллизации. Мы показали, используя два тестовых белков значительно усилены в успешности кристаллизации с помощью этого метода. Анализ дифракции с использованием синхротронного излучения подмножества кристаллов, полученных с помощью РММС и методы, не РММС показал небольшое изменение качества дифракционной между кристаллов, выращенных с использованием либо метода, хотя предыдущие авторы сообщают, что хорошее качество кристаллов, скорее всего, расти в РММС экспериментов 11, 13. HEWL и BLC, возможно, дал атипичные результаты, потому что они необыкновенно легко кристаллизуется. Мы также иллюстрируют важность оптимизации концентрации кристаллических семенного используемых в экспериментах РММС, и показать, как это может быть установлено путем разбавления для того, чтобы оптимальное количество качественных дифракции кристаллов производятся.
РММС является простым, высокая пропускная способность, оченьСпособ масштабируемого которые могут быть использованы в дополнение традиционных методов скрининга. Эксперименты можно настроить вручную или роботом, в 96-колодца или лотки с 24 лунками, и в подвесных или сидя форматы падение. Основным недостатком РММС является то, что зависит от получения той или иной форме кристаллического материала целевого белка (или гомологичного белка) в целях получения семенного материала в первую очередь. Следует отметить, однако, что высококачественный кристаллический материал не требуется, более того, авторы успешно использовали микрокристаллы и аморфный осадок, чтобы сделать семенного материала. Использование РММС скрининга не ограничивается роста кристаллов нативных белков. Например, РММС хорошо подходит для выращивания кристаллов selenomethione или селеноцистеин замещенных вариантов. В таких случаях кристаллы нативного белка может быть использован, чтобы сделать семенного фонда. Хотя протоколы альтернативой зарождения кристаллов были зарегистрированы 1,4, ни одна из них применительно к более широкой арАнж белков как РММС.
После РММС комбинаторный подход microseeding может быть использован для оптимизации уровня посева с целью получения кристаллов для сбора данных. Это особенно полезно для лиганд-купания экспериментах, где большое количество кристаллов часто необходимых. Используя этот подход весь экран кристаллизации может быть быстро создана при помощи microseeding в сочетании с разбавленным семенного материала, с каждой лунке что дает относительно небольшое количество кристаллов.
В заключение мы призываем никого занимается макромолекул кристаллизации сделать РММС частью их обычной процесса во всех случаях, когда дифрагирующие кристаллы не полученных непосредственно от их начальных экранов.
Нам нечего раскрывать.
Эта работа финансировалась частично BBSRC (BB/1006478/1). ПРР является получателем исследовательский грант Королевское общество университета.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
MRC 96 well crystallization trays | Molecular Dimensions Ltd | MD11-00-100 | Non-UV compatible, for screens established by robot |
ClearView sealing sheets | Molecular Dimensions Ltd | MD6-01S | |
Hen egg white lyzozyme | Sigma-Aldrich | L6876 | ~95% purity |
Bovine liver catylase | Sigma-Aldrich | C9322 | >95% purity |
Xylanase | Hampton Research | HR7-104 | |
Thaumatin from Thaumatococcus daniellii | Sigma-Aldrich | T7630 | |
Thermolysin from Bacillus thermoproteolyticus rokko | Sigma-Aldrich | P1512 | |
JCSG-plus HT-96 screen | Molecular Dimensions Ltd | MD1-40 | For screens established by robot |
PACT premier HT-96 screen | Molecular Dimensions Ltd | MD1-36 | For screens established by robot |
Morpheus HT-96 screen | Molecular Dimensions Ltd | MD1-47 | For screens established by robot |
Crystal Ph–nix liquid handling system | Art Robbins Instruments | 602-0001-10 | |
Seed bead kit | Hampton Research | HR2-320 | |
Binocular stereo microscope | Leica | M165C | |
Scalpel blades | Sigma-Aldrich | S2646-100EA | |
ErgoOne 0.1-2.5 μl pipette | Starlab | S7100-0125 | |
ErgoOne 2-20 μl pipette | Starlab | S7100-0221 | |
ErgoOne 100-1000 μl pipette | Starlab | S7100-1000 | |
JCSG-plus screen | Molecular Dimensions Ltd | MD1-37 | For screens established by hand |
PACT premier screen | Molecular Dimensions Ltd | MD1-29 | For screens established by hand |
Morpheus screen | Molecular Dimensions Ltd | MD1-46 | For screens established by hand |
Tweezers | Sigma-Aldrich | T5415-1EA | |
CrystalClene coverslips 18 mm | Molecular Dimensions Ltd | MD4-17 | |
2 ml glass Pasteur pipettes | Sigma-Aldrich | Z722669 | |
Vortex mixer | Fisher Scientific | 02-215-360 | |
24 well XRL crystallization tray | Molecular Dimensions Limited | MD3-11 | For screens established by hand |
30% (w/v) PEG 8000, 0.2 M ammonium sulfate, 0.1 M sodium cacodylate pH 6.5 | |||
20% (w/v) PEG 8000, 0.2 M magnesium acetate, 0.1 M sodium cacodylate pH 6.5 | |||
20% (w/v) PEG 6000, 100 mM citric acid pH 5.0 |
Запросить разрешение на использование текста или рисунков этого JoVE статьи
Запросить разрешениеThis article has been published
Video Coming Soon
Авторские права © 2025 MyJoVE Corporation. Все права защищены